شرح القرص الصلب (Hard Disk)

بسم الله الرحمن الرحيم

القرص صلب


القرص الصلب (Hard Disk) وهو وحدة التخزين الرئيسية في الحاسوب، وهو يتكون من أقراص ممغنطة تدور ويقوم لاقط كهرومغناطيسي بالقراءة والكتابة من وإلى السطح الممغنط. من أهم الخصائص التي تميز كل قرص صلب عن آخر، سعة التخزين وسرعة الدوران.
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الأقراص الصلبة وهي:
أقراص SCSI الصلبة
أقراص IDE الصلبة
أقراص SATA الصلبة
القرص الصلب Hard Disk و كيفية عمله
تحتوي معظم أجهزة الكمبيوتر اليوم علي قرص صلب (Hard Disk ) إن لم يكن أكثر، بل إن العديد من الحاسبات الكبيرة مثل أجهزة الخادمات Servers و غيرها تحتوي علي المئات من الأقراص الصلبة وبأحجام كبيرة، ولكن لا يعتبر وجود القرص الصلب ضروروة ملحة لتشغيل الجهاز، فبالإمكان إقلاع الجهاز من وسائط تخزين قابلة للإزالة كالأقراص المرنة والمضغوطة، كما أن العديد من الأجهزة تدعم الإقلاع من الشبكة.
يتمثل الدافع الرئيسي وراء إستخدام لكل هذه البلايين من الأقراص الصلبة في شئ واحد : وهو أنها تستطيع الاحتفاظ بالكثير من البيانات بعد أن تفصل الكهرباء عن الحاسب، حيث يستطيع القرص الصلب أن يخزن البيانات الرقمية علي هيئة مغناطيسية تدوم طويلا.
أساسيات القرص الصلب
تم اختراع الأقراص الصلبة في الخمسينيات , وكانت عبارة عن أقراص كبيرة يصل قطرها إلى حوالى 20 بوصة و علي الرغم من حجمها الكبير إلا أنها كانت تتسع للقليل من الميجابايتس. ولم تكن تعرف في ذلك الوقت بال Hard disk بل كانت تعرف بال Fixed disks أو بال Winchesters, وجاءت التسمية Hard Disk بعد ذلك لكي يتم التفرقة بينها و بين الأقراص المرنة.
وكما هو واضح من اسمه يحتوي القرص الصلب علي "قرص صلب" أو ما يعرف ب platter , هذا القرص توضع عليه المادة المغناطيسية التي تستخدم في حفظ البيانات , هذه المادة المغناطيسية هي نفسها المادة المستخدمة في الأقراص المرنة و شرائط الكاسيت , ولكن الفرق هو أن الأقراص المرنة و الكاسيت يتم فيها وضع المادة المغناطيسية علي ماده بلاستيكية مرنة.
ولكن بشكل عام فان القرص الصلب لا يختلف في طريقه تخزينه للبيانات عن شرائط الكاسيت و الأقراص المرنة فكلاهما يستخدم نفس طرق التخزين المغناطيسية , تتميز طرق التخزين المغناطيسية في أنه من السهل الكتابة و المسح و إعادة الكتابة علي المادة المغناطيسية , وكذلك يمكن للمادة المغناطيسية أن تحتفظ بالمعلومات المخزنة عليها -علي هيئة فيض مغناطيسي- لعدة سنوات.
يتم تخزين البيانات علي القرص الصلب علي هيئة صفر وواحد، يقوم الحاسوب بالتعامل معها على شكل بايتات، ويتعامل معها نظام التشغيل لاحقا على أنها ملفات Files ، فالملفات عبارة عن صفوف من البايتات التي قد تكون تعبر عن حروف أو خانات ألوان Pixels أو تعلبمات برمجية كي ينفذها الحاسوب أو غيرها من أنواع البيانات التي قد تحتاج إلى تخزين. وعندما يلزم القراءة من القرص الصلب، يقرأ القرص البيانات على شكل blocks مكونة من مجموعة من البايتات يقوم بإرسالها للحاسوب.
ماذا يوجد داخل القرص الصلب
أولا ينبغي أن نعرف أن القرص الصلب -بشكل عام- يحتوي علي أجزاء الكترونية و أجزاء ميكانيكية:
• الأجزاء الميكانيكية :
- قرص تخزيني (أو عده أقراص متحدة المحور) مغطي بمادة قابلة للمغنطة.
- رؤوس القراءة والكتابة.
- ذراع يحمل رؤوس القراءة والكتابة.
- منظومة ميكانيكية لتحريك الذراع.
- موتور لتدوير الأقراص التخزينية.
• الأجزاء الالكترونية : عبارة عن لوحة إلكترونية توجد أسفل القرص الصلب.
سنبدأ الآن بتشريح القرص الصلب :
هذا هو الشكل الخارجي العام للقرص الصلب (الأول من نوع Seagate والثاني WD ) :
كما نري القرص الصلب يكون محمي بغطاء من الألمنيوم :
و بأسفل القرص الصلب نري لوحة التحكم الإلكترونية :
مسئولية مجموعة الإلكترونيات هذه هي : التحكم في عملية القراءة و الكتابة علي القرص الصلب و أيضاً التحكم في الموتور الذي يقوم بتدوير ال platters , حيث تقوم هذه الإلكترونيات بتجميع المجالات المغناطيسية المخزنة علي المادة المغناطيسية و تحويلها إلى مجموعة من ال bytes (عملية القراءة),و أيضاً تقوم بتحويل ال bytes المراد تخزينها علي القرص الصلب إلى مجموعه من المجالات المغناطيسية لكي تخزن علي المادة المغناطيسية (عملية الكتابة).
نقوم الآن بإزالة الغطاء الألمنيوم من علي القرص الصلب فنري الاتي داخل القرص الصلب :
في الصورة السابقة نري الأتي :
• Platters أو أقراص التخزين ( في الصورة هو ذلك القرص الدائري اللامع), هذه الأقراص هي التي يتم تخزين البيانات عليها كما ذكرنا من قبل , وعادة ما يتم تدويرها بسرعة 3600 أو 7200 لفة في الدقيقة أثناء عمل القرص الصلب , و يمكن أن يحتوي القرص الصلب علي أكثر من Platter تكو ن متحدة المحور ,وكلما زاد عدد هذه الأقراص و كثافة التقسيمات التي عليها - سنوضح ذلك فيما بعد - زادت السعة التخزينية للقرص الصلب , وتصنع هذه الأقراص من الألمونيوم أو - في الأقراص الحديثة - من الزجاج المقوى بالسيراميك الذي يعتبر أفضل أداءً حيث أن مقاومته للارتفاع في درجة الحرارة أفضل , ويتم صقل هذه الأقراص بحيث تصبح ملساء جدا كالمرآة .
و هذه الأقراص لا يمكنها حفظ الشحنة المغناطيسية اللازمة لعملية التخزين في حد ذاتها , بل يجب أن تغطي هذه الأقراص بمواد يمكنها حفظ الشحنة المغناطيسية.
• الذراع arm الذي يحمل رؤوس القراءة و الكتابة Read\Write heads , و يلزم لكل قرص تخزيني رأسين واحد للقراءة و الآخر للكتابة و مكانهم كالأتي: واحد أسفل القرص التخزيني و الآخر أعلي القرص التخزيني , فمثلا لو كان لدينا 3 أقراص تخزينية فإننا نحتاج ل 6 رؤوس قراءة و كتابة , ولا تكون رؤوس القراءة والكتابة ملامسة لسطح أقراص التخزين بل تكون مرتفعه عنها بمقدار صغير جدا , بل إن الرأس إذا لامست القرص التخزيني فسيؤدي ذلك لتلف الجزء الذي لامسته - يسمي الجزء التالف ب Bad Sector -.
ويتم تحريك هذه الذراع-الخفيفة الوزن جدا- بواسطة منظومة ميكانيكية دقيقة جدا و سريعة جدا , ويمكن لهذه المنظومة أن تحرك الذراع من داخل قرص التخزين إلى حافته والعكس 50 مرة في الثانية الواحدة !!!!!!!!!! , ويمكن أن يتم بناء مثل هذه المنظومة باستخدام موتور خطي Linear سريع . يوجد الآن نوعان من التكنولوجيا التي تستخدمها هذه المنظومة الميكانيكية :
• الأولي : تعرف بال band stepper motor و تعتمد في فكرتها علي كمية الكهرباء التي ترسلها لوحة التحكم الالكترونية , و لكن هذه التكنولوجيا غير مستخدمة لأنها كثيرة المشاكل نتيجة لتأثرها بدرجة الحرارة و لأنها تتلف بسرعة.
• الثانية : Voice Coil في هذا النوع تقوم لوحة التحكم الالكترونية بإرسال تيار كهربائي إلى المحرك وهذا التيار يستخدم في توليد مجال مغناطيسي لتحريك الذراع ضد زنبرك , مما يجعل لوحة التحكم الالكترونية قادرة على التحكم بموقع الرأس-لأنها تتحكم بالذراع- عن طريق التحكم في شدة التيار الكهربائي.
تخزين البيانات علي القرص الصلب : يتم تخزين البيانات علي القرص الصلب في قطاعات Sectors و مسارات Tracks , المسارات عبارة عن دوائر متحدة المركز , و القطاعات هي أجزاء من المسارات , الشكل التالى يوضح ذلك :
اللون الأحمر يمثل المسار , واللون الأزرق يمثل القطاع.
وكلما تمكننا من زيادة عدد القطاعات في المسار الواحد زادت السعة التخزينية الكلية للقرص الصلب. يحتوي القطاع علي عدد محدد من الـ bytes مثلا 256أو 512 بايت , و لكن نظم التشغيل غالبا ما تتعامل مع القطاعات بأن تقسم كل مجموعة منها إلى ما يعرف ب Cluster.
كيف يتم توصيل القرص الصلب بالكمبيوتر :
تستخدم الأقراص الصلبة نوعين من الـ Interface للتعامل مع الكمبيوتر :
• EIDE ويمكن اختصارها إلى " IDE " و فيها تكون الإلكترونيات اللازمة لتشغيل القرص موجودة بداخله - في لوحة التحكم الالكترونية - وليس خارجه ، وهي الأكثر شيوعاً بين مستخدمي الكمبيوتر , وهي نفسها المستخدمة في مشغلات الاسطوانات المدمجة , ويتم توصيل القرص الصلب باللوحة الأم عن طريق كابل مباشرة دون استخدام كروت إضافية.
• SCSI هذا النوع أسرع بكثير من النوع الأول و لكنه أيضاً مكلف عنه , ويستخدم غالبا في السيرفرات والأجهزة التي تتطلب سرعات عالية , ولكن لتوصيل القرص الصلب مع اللوحة الأم يلزم أن يكون هناك كارت إضافي يركب باللوحة الأم.
العوامل المؤثرة علي الأقراص الصلبة :
• معدل نقل البيانات Data rate هو عدد الـ Bytes التي يتم نقلها من القرص الصلب للكمبيوتر في الثانية الواحدة, ويتراوح بين 5 إلى 40 ميجابايت في الثانية الواحدة.
• زمن الوصول Seek Time هو الزمن المستغرق بين طلب الملف من القرص الصلب و وصول أول Byte من الملف إلى الكمبيوتر.
• سرعة دوران القرص الصلب , فكلما كانت سرعة الدوران أعلي كان ذلك أفضل.
• نوع ال Interface الذي يستخدمه القرص الصلب.
• الكثافة التخزينية , وهي عدد ال Bytes التي يمكن تخزينها في مساحة معينة من القرص الصلب.
• وطبعا الأهم من ذلك السعة capacity الكلية للقرص الصلب مثلا 20 , 40 , 80 , 120 جيجابايت .

القرص الصلب و كيف يعمل؟
نتابع معا رحلتنا مع القرص الصلب , فبعد أن تعرفنا علي التكوين الفيزيائي القرص الصلب في الدرس السابق , سنتعمق أكثر في كيفية التعامل مع القرص الصلب.
تهيئة القرص الصلب Formatting the HDD
لكي نستطيع استخدام القرص الصلب يجب أن نقوم بتهيئته أولا , هناك نوعان التهيئة :
1. التهيئة الفيزيائية Physical Formatting و تعرف أيضاً بتهيئة المستوي المنخفض Low Level Formatting.
2. التهيئة المنطقية Logical Formatting أو ما يعرف بتهيئة المستوي العالى High Level Formatting.